JP2007514175A - 多重型電気化学的検出システムと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の分子構造の多重型分析方法に関する。
【解決手段】 複数の試料ウエルが、基材２０上に配置される。複数の電極が、基材２０の第１側面に形成される。電極は、試料ウエルに開放された基材２０側面に配置される。電極は、作用電極、対電極を含み、任意に参照電極を含む。少なくとも２つの試料ウエルが、複数の作用電極を含む。複数の電極が、多重型に結合された試料ウエルの電気化学的分析を行うように形成される。複数の電極が、試料分析システムに対するインターフェイスとして電気的に結合される。試料分析システムのインターフェイスは、結合部や接続部を含むことができる。試料分析システムは、多重型の電極からの信号を制御し、電気化学的分析を行う。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電気化学的検出に関する。さらに具体的には、本発明は、試料分析容器および関連計測装置を用いる試料の多重型電気化学的検出のシステムと方法に関する。

分子生物学は、試料の分子構造を検出／同定する多様な技術を利用する。特に、ＤＮＡまたはＲＮＡ試料の配列分析は、遺伝子配列を検出し、遺伝子配列中の変異を検出し、または遺伝子の発現レベルを検出するために行われる。そのような配列分析は、診断目的ならびに遺伝的研究および医薬の開発を促進するために有用である。

配列分析は、試料を知られている配列を有するポリマー探触子にハイブリダイズされることにより実施することができる。核酸ハイブリダイゼーションを検出する１つの方法は、核酸周囲の対イオンの量を検出することである。従って、ハイブリダイズした核酸は、一本鎖核酸よりも多くの対イオンによって囲まれる。対イオンは典型的には電気化学反応、例えば三価イオンを二価に還元することにより検出される；このようにして、対イオンは電子移動種として機能する。

電気化学的な定量は、Ａ．Ｂ．ＳｔｅｅｌらのElectrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Anal. Chem. 70：4670−77（1998）に記載され、ここでは、特に参照により全て取り入れられる。この公刊物において、Ｓｔｅｅｌらは、表面固定化ＤＮＡと反応する種としてコバルト（ＩＩＩ）トリスビピリジルとルテニウム（ＩＩＩ）ヘキサアミンの使用を記載する。

診断目的ならびに遺伝子研究および医薬開発の手段として配列分析の継続的な開発は、配列分析システムの改良を必要とする。配列分析システムは、患者試料スクリーニング等の診断操作における使用を容易とするために、異なるバッチサイズの試験を可能とするように柔軟性があり、繰返し可能な試験結果を可能とするように信頼性があり、低コストであることが必要とされる。

多重型電気化学試料検出システムと方法が開示される。試料システムは、使用ウエル中の探触子のハイブリダイゼーションを電気化学的に検出することにより、ポリマーハイブリダイゼーションの低コストで信頼性のある検出を可能とする。システムは、各試料ウエル内の１つ以上の探触子ハイブリダイゼーションを検出するように構成することができる。

１つの態様において、複数の試料ウエルが、基材上に配置される。少なくとも２つの試料ウエルのそれぞれが、試料ウエル内の基材上に配置された多数の電極を含む。その複数の電極は、対電極と複数の作用電極を含む。第１試料ウエル中の少なくとも１つの作用電極は、第二試料ウエル中の対応する作用電極に電気的に接続している。別の実施形態において、参照電極が各試料ウエルに含まれる。ポリマー探触子は、試料ウエル中の１つ以上の作用電極に付着している。ポリマー探触子への試料のハイブリダイゼーションは、電気化学的プロセスを用いて検出することができる。電気化学的プロセスは、電量分析法、ボルタンメトリー、電流滴定法等を含むことができる。

本発明の特徴、目的および利点は、図面に関連させて下記の詳細な説明から明らかとなるだろう。そこでは、全体にわたって同様な部品は同様な参照数字により識別される

電気化学的定量法を用いたポリヌクレオチドハイブリダイゼーションを検出するシステムと方法が開示される。試料ウエルのアレイは、基材上に並べることができる。基材は各試料ウエル内に置かれた電極を含むことができる。各試料ウエル内の電極は、作用電極、参照電極および対電極を含むことができる。ポリマー探触子等の探触子は、作用電極のそれぞれに付着させることができる。多様な作用電極に付着されたポリマー探触子は、同一または異なる塩基配列を有することができる。

標的ポリマーを含むであろう試料を、試料ウエルに導入することができる。標的ポリマーは、多様な作用電極に付着された相補的探触子とハイブリダイズすることができる。

試料分析装置は、基材上の電極を選択的にアドレス指定して、アドレス指定された電極に対する標的試料へのポリヌクレオチドハイブリダイゼーションを電気化学的に検出することができる。１つの実施形態において、各試料ウエルに設けられた少なくとも１つの作用電極は、別の試料ウエル中の対応する作用電極に電気的に結合される。各試料ウエルは、独立してアドレス指定することの可能な対電極を含む。試料分析装置は、試料ウエルの所望の作用電極および対電極に電位をかけることによって特定の試料ウエルに関連した電極を選択的にアドレス指定することができる。もしくは、試料分析装置は、選択された試料ウエル内の複数の電極および対電極に電位を同時にかけることができる。次に、ポリヌクレオチドハイブリダイゼーションの検出は、電量分析法またはボルタンメトリー等により電気化学的に定めることができる。

オリゴヌクレオチドを単離し、ハイブリダイゼーション測定を実施するための多様な技術が、特許出願中の、２００２年１１月６日出願の米国特許出願番号第６０／４２４６５６号；“UVNIVERSAL TAG ASSAY”と題される２００３年４月２４日出願の米国特許出願番号第１０／４２４，５４２号；“ELECTROCHEMICAL METHOD TO MEASURE DNA ATTACHMENT TO AN ELECTRODE SURFACE IN THE PRESENCE OF MOLECULAR OXYGEN”と題される２００３年５月２日出願の米国特許出願番号第１０／４２９，２９１号に記載されている。ここでは、これら全てについて参照により全て取り入れられる。

本発明の実施形態は、試料ウエルまたは検出ゾーンでのポリヌクレオチドハイブリダイゼーションの検出をともなう。特定の実施形態は、電気化学的測定を実施におけるルテニウム複合体の使用を特徴とする。電気化学的定量が、A．B，SteelらのElectrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Anal. Chem. 70：4670−77（1998）に記載されている。ここでは、特に参照により全て取り入れられる。核酸ハイブリダイゼーションを検出する電気化学的測定は、Ｓｔｅｅｌらの一般的な技術を使用することができる。Ｓｔｅｅｌらは、表面に固定化されたＤＮＡと反応する種としてコバルト（ＩＩＩ）トリスビピリジルとルテニウム（ＩＩＩ）ヘキサアミンの使用を記載する。

典型的には、この技術を実施する際に、対象となる配列と相補的となる複数の核酸探触子が用いられる。ある実施形態において、探触子は長さが１０〜２５塩基対の範囲にあるが、１０塩基対よりも短いか、または２５塩基対を超える長さを有する探触子を用いてもよい。約１７塩基対の探触子長は、ある実施形態に有利となりうる。探触子鎖は、検出ゾーン内に配置される。特定の実施形態において、検出ゾーンは、電極のような、液体媒体に接する表面を含み、探触子鎖も液体媒体と接触するように該表面に固定化される。核酸探触子鎖の電極への付着を容易にするために、該表面は、アビジンまたはストレプトアビジン等のタンパク質層により被覆された金電極か炭素電極であってよい。該表面は、金または炭素以外の物質であってよい。タンパク質層は、イオンを液体媒体から電極に移すこと（またはその逆）を可能とするように多孔性であってよい。探触子鎖のアビジン層への付着は、まず探触子鎖をビオチン複合体に共有結合で結合し、次にビオチンをアビジンに結合することを含んでもよい。もしくは、例えば、核酸を金電極に共有結合されるためにチオール結合を用いて、探触子鎖を表面に直接結合することもできる。前記のように、炭素電極または任意の他の適当な伝導体の電極を用いることもできる。

標的鎖（探触子に対して調べられる核酸試料）を、当業者に知られた任意の適当な方法で探触子と接触されることができる。例えば、複数の標的鎖を上記の液体溶媒に導入し、固定化された探触子と混合されることができる。各探触子鎖が標的鎖に相互作用し、ハイブリダイゼーションに関与する機会を最大限活用するために、標的鎖の数は、探触子鎖の数を超えることができる。標的鎖が探触子鎖と相補的である場合、ハイブリダイゼーションが起こりうる。ハイブリダイゼーションの厳格性は、調整することができる。ハイブリダイゼーションを検出する技術は、電気化学的分析を含むことができる。電気化学的検出システムに用いられる装置と方法は、図面と関連させて以下詳細に説明する。

図１Ａは、試料アレイ１０の実施形態の拡大図である。試料ウエル１０は、開口ウエルまたは底のないウエル（例えば８）を有するウエルプレート１２を含む。複数の開口有底のウエル８は、マルチウエルプレートのアレイとして設けることができる。ウエルプレート１２は、トッププレートもしくはマルチウエルプレートとして参照され、接着層１４を使用して基材２０に付けることができる。よって、組み立てられると、試料アレイ１０は、基材２０によって形成された底を有するウエルプレート１２を含む。基材２０は、例えばＦＲ−４プリント回路板材料、ガラス、プラスチック、ポリマー、アルミナ、テフロン（登録商標）または他の適当な基材材料等のガラス繊維の基材であってよい。ウエルプレート１２は、例えば紫外線硬化性か熱硬化性の接着剤１４または感圧接着剤１４を使用して、基材２０に結合されることができる。接着層１４は接着シート層であってもよいし、または試料アレイ１０か基材２０に付着させた液体層であってもよい。ウエルプレート１２は接着層１４を使用して基材２０に結合される必要はなく、超音波溶接、ＲＦ溶接、レーザー溶接および共押出または共成形等の適当な技術を使用して結合させてよい。よって、試料アレイ１０が基材２０に直接結合するところでは、接着層１４は省略してもよい。

ウエルプレート１２に基材２０を付着するための他の技術、例えば、２つの部品を一緒にした共押出、ＲＦ溶接、および２つの部品の圧縮式フィット（すなわち、漏出がないように２つの部品を物理的に圧縮する機械的付着）等を用いてもよいことが理解される。この実施形態において、例えば、クランプまたはスナップフィットを用いて圧縮を提供でき、所望ならば、ガスケット材料を、ウエルプレート１２上と基材２０上または両者の間に設けてウエルプレート１２のウエルから液体の漏出を防ぐことができる。

従って、１つの実施形態において、本発明は、エンドユーザーがそれらを一緒に組み立てることができる形態のウエルプレート１２と基材２０からなるキットを含む。これは、例えば、ユーザーが基材をウエルプレート１２に取り付ける前にポリマー探触子を基材２０に付着したい場合に有利である。

基材２０は、ウエルプレート１２の底のないウエル８に配列あるいは適合する１つ以上のゾーン２４を含む。１つ以上のゾーン２４は基材２０の第１表面に配置される複数の電極を含むことができる。電極は、ウエルプレート１２を通じて接近できる。複数の電極は、基材２０上のゾーン２４の少なくとも２つの試料ウエルに置くことができる。一部の実施形態においては、各試料ウエルまたは実質的にすべての試料ウエルに複数の電極を置くことが有利であろう。よって、複数のゾーン２４は複数の試料ウエル８と一列に並べることができる。以下の説明で、各試料ウエルが同じ数の電極を含む実施形態を説明する。各試料ウエル内の複数の電極は、複数の作用電極、少なくとも１つの対電極を含み、任意に少なくとも１つの参照電極を含むことができる。

電極は典型的には電気伝導性であり、金、炭素、白金、パラジウムまたは他の電気伝導性電極であってよい。一部またはすべての電極は、同じプロセスを使用して同じ材料を用いて製造することができる。もしくは、電極は、異なった材料で製造されることができ、また異なったプロセスを使用して製造することができる。炭素電極の製作のために適する一方法は、代理人整理番号ＧＥＮＯＭ．０３９ＰＲと同時提出の“CARBON ELECTRODE SURFACE FOR COVALENT ATTACHMENT OF DNA AND PROTEIN MOLECULES”と題される米国仮特許出願第６０／ にさらに詳細に記載され、ここでは、参照により全て取り入れられる。

１つの実施形態では、炭素電極は、ウエルプレート１２に結合される基材２０の側面上に造られる。これらの電極は、ウエルプレート１２から基材２０の反対側、もしくは端か他の適した位置に配置できるコネクターインターフェイスに結合される。コネクターインターフェイスは、１つ以上のコネクターを含むことができ、または接触パッドを含んでよい。電気回路を接続するためによく知られた技術または配置を使用できることが理解されよう。接触バッドの数またはコネクターインターフェイスでの接続部の数は、電極に選ばれる多重型機構により変えることができる。接触パッドの数は基材２０に配置される電極の数よりも少ないか、多いか、または等しい場合がある。有利な点としては、多重型機構は接触パッドの数を減らして、関連分析装置に対して作られる電気的接続部の数を減らす。異なった電極配置および多重型機構は、以下にさらに詳しく述べる。

試料アレイ１０は、標準的な９６ウエルプレートの大きさに合わせて形作られたことを示す。但し、試料アレイ１０は、９６ウエルプレートである必要はなく、標準的なプレート配置、または標準外であつらえのアレイ配置の試料ウエルのアレイであってよい。例えば、ウエルプレート１２は、１６ウエル、２４ウエル、４８ウエル、９６ウエル、３８４ウエル、１５３６ウエルまたは他の数のウエルを含むことができる。さらに、試料アレイ１０は、試料を受け取り電極に付着した探触子を捕捉するように形成されたウエルを有することを示す。しかし、試料アレイ１０は、試料ウエルを使用する必要はなく、試料を受け取るための他の配置を取り入れてもよい。試料アレイ１０は、例えば、ウエル、ドット、ゲル、空隙、流路、滴下等、または試料を受け取るため他の一部の手段を使用できる。

図１Ｂは試料アレイ１０の下面図である。図１Ｂにおいて、基材２０はウエルプレート１２の底に結合される。接触パッド（例えば２２）を有するコネクターインターフェイスが基材１２の露出表面に見られる。コネクターインターフェイスの接触パッド（例えば２２）は基材２０の一部において凝集させることができ、または基材２０の底表面を横切って分布させてよい。

図２Ａは、電極配置実施形態の機能図である。電極配置は、図１Ａ〜１Ｂの基材２０で実行することができる。電極の第１セット２１０ａは、第１試料ウエル内の基材２０上のゾーン（例えば８）に配置することができる。同様に、電極の第２セット２１０ｂは第２試料ウエルと一直線に並ぶ第２ゾーン内の基材上に置くことができる。付加的な電極セット（図示せず）は、それらセットが他の試料ウエルに属するように基材上に置くことができる。１つの実施形態において、第１電極セット２１０ａの一部またはすべての電極は炭素電極である。同様に、第２電極セット２１０ｂの一部またはすべての電極および付加的な電極セットは炭素電極であってよい。もしくは、１つ以上の電極セットの一部またはすべての電極は金または他の材料であってよい。

例示された実施形態の第１電極セット２１０ａは、２０個の作用電極（２２０ａ〜２２３ａと表記された電極を含む）、１個の参照電極２３０ａおよび1個の対電極２４０ａを含む。対電極２４０ａは２０の作用電極（例えば２２０ａ〜２２３ａ）の実質的に中心に置いてもよい。作用電極の数は２０個である必要はなく、対応する試料ウエル内に物理的に置くことができる数であってよい。後にさらに詳細に論じるように、対電極２４０ａは、作用電極（例えば２２０ａ〜２２３ａ）の中心に置かれる必要はない。

第２電極セット２１０ｂは、第１電極セット２１０ａと同様に構成される。第２電極セット２１０ｂも、２０個の作用電極（例えば２２０ｂ〜２２３ｂ）、１個の参照電極２３０ｂおよび１個の対電極２４０ｂを含む。さらには、必要条件ではないが、対電極２４０ｂを、２０の作用電極（例えば２２０ｂ〜２２３ｂ）の実質的に中心に配置してよい。

１つ以上のポリマー探触子は、各作用電極（例えば２２０ａ）に結合させることができる。ポリマー探触子は、例えば、ＲＮＡまたはＤＮＡ等の核酸、ペプチド、ポリペプチド、レセプター、リガンド、抗体、酵素等であってよい。ポリマー探触子は、電極に直接結合させてもよいし、または慣用的な技術を用いて中間層または中間構造物を経て電極に結合させてもよい。試料は、試料ウエルに導入することができる。このとき、試料は、標的ポリマーを含むかもしれない。標的ポリマーは、相補的ポリマー探触子とハイブリダイズすることができる。ハイブリダイゼーションは、所望の電気化学的な検出機構に従って、電量分析法やボルタンメトリー等の電気化学的プロセスを用いて検出することができる。

１つの実施形態では、変異体探触子は第１作用電極に結合させ、野生型探触子は同じ電極セットの異なる作用電極に結合させることができる。このようにして、２０個の作用電極を有する電極セット配置を用いて、１０個までの異なる突然変異を検出することができる。もしくは、作用電極のいくつかを対照として使用して、電極セット内で検出することができる変異体の数を減らす。

図２Ａの電極配置が９６ウエルプレートの各ウエルについて繰り返される場合、基材上に作られる電極の数は非常に大きい。例えば、各ウエルに２０個の作用電極、単一の対電極および単一の参照電極を有する９６ウエルプレートの基材に配置された２１１２個の電極がある。この多数の電極は、各電極が基材のコネクターインターフェイス上で独立した接続部に結合する場合に潜在的な問題を提起する。

分析機器に対して作る必要がある接続部の数を減らすために、参照電極は、一部実施形態において、電極セットから除くことができる。３電極（参照電極、対電極および作用電極）の電気化学的配置は、一般に、作用電極での電位シフトを最小化するために用いられる。しかし、作用電極を通る電流密度が十分に小さければ、電位シフトは２電極の配置により無視できる程度にかなり小さくすることができる。基材から参照電極を除くということは、各試料ウエルに関しては１つの電極を除去するだけである。

作用電極は、多重型にして基材のコネクターインターフェイスでの接続部の数をさらに減少することができる。図２Ｂは多重型配置の機能図である。多重型配置は、わずかに２個の電極セットとともに示されている。しかし、多重型配置は２個以上の電極セットに拡張することができる。

第１電極セット２５０ａは、第１試料ウエル内の基材に配置することができる。同様に、第２電極セット２５０ｂは、第２試料ウエル内の基材に配置することができる。

第１電極セットは、２０作用電極（例えば２６０ａ〜２６４ａ）および対電極２７０ａ含む。同様に、第２電極セット２５０ｂは、２０個の作用電極（例えば２６０ｂ〜２６４ｂ）および対電極２７０ｂ含む。

多重型機構の１つの実施形態は、多数の電極セットの電極を一緒に結合することによってコネクターインターフェイスでの接続部の数を減らす。電極を接触パッドにそれぞれ接続する代わりに、各ウエルの対応する作用電極は、一緒に接続される。すなわち、あらゆるウエルのすべての＃１電極は、基材の裏側の第１接触パッドに接続される。同様に、あらゆるウエルのすべての＃２電極は、基材の裏側の第２接触パッドに接続される等である。すべての対電極は、基材の裏側の接触パッドにそれぞれ接続される。この多重型機構を用いることにより、前例における電気的接続部の総数は１１６に減少する。

図２Ｂでは、第１電極セット２５０ａの第１作用電極２６０ａは、第２電極セット２５０ｂの第１作用電極２６０ｂに結合される。

試料アレイ内の各試料ウエルは、プレート内の試料ウエルの電気化学的分析を行うときに独立して読み取ることができる。特定の試料ウエルを分析するために、１個の作用電極および１個の対応する対電極のそれぞれに、電位がかけられる。１個の作用電極に電位を印加するということは、その作用電極を共用する他の試料ウエル内の全作用電極に同時に電位を印加することである。しかし、該電位は、所望の試料ウエルの対電極に対してそれぞれ制御することができる。複数のウエルの作用電極に電位があるとしても、電流は、対電極が印加電位を有するウエルのみに流れる。すべての試料ウエルの全電極は、１つの作用電極および対応する対電極に電位を選択的に印加することによって、独立して分析することができる。このようにして、例えば、各作用電極に結合させた異なる探触子を使用して、２０個の異なる分析を各ウエルで実施することができ、９６ウエルプレートで１９２０の分析結果を得ることができる。

図２Ｃは電極セット２１２の別配置の機能図である。電極セット２１２は、５個の作用電極の４列として配置された２０個の作用電極（例えば２８１ａ〜２８５ａ）を含む。しかし、作用電極は長方形の配列で配置する必要もなく、図２Ｃの電極セット２１２に示された作用電極の数には重要性もない。対電極は上部対電極２８０ａと下部対電極２８０ｂを有する一対の対電極として形成される。上部および下部の対電極２８０ａと２８０ｂは電気的に結合し、通常は同一電位にある。電極セットには、参照電極が含まれていない。しかし、他の実施形態は、参照電極を含んでよい。電極セット２１２の配置は、１つ以上の試料ウエルに含むことができる。典型的には、基材上に作られるすべての電極セットは同じ配置を有する。しかし、異なる試料ウエルに異なる電極配置を有することが所望される場合を一部の例とすることがあり得る。

図２Ｄは、電極セット２１４のもう１つの別の配置である。電極セット２１４は、５個の作用電極の４列として配置された２０の作用電極（例えば２９１ａ〜２９５ａ）を含む。さらには、図２Ｄで示された電極の数および長方形の配置は、例としてのみ示されるものであって、電極配置に対する限定でない。対電極２９０は、すべての作用電極（例えば２９１ａ〜２９５ａ）を囲む単一の連続的な電極として形成される。電極セット２１４には参照電極は含まれていない。しかし、他の実施形態は、参照電極を含むことができる。電極セット２１４の配置は１つ以上の試料ウエルに含むことができる。

図３Ａ〜３Ｃは、各試料ウエルをそれぞれ分析する機能を維持しながら、基材上の接触パッドの数を減らすために用いられる別の多重型機構の機能ブロック図である。各機能ブロック図は、各試料ウエルに配置された２０個の作用電極、１個の対電極および１個の参照電極を有する９６ウエルプレートとして形成されている。しかし、類似の多重型機構は、他の試料アレイの配置および他の電極配置とともに使用してもよい。

図３Ａ〜３Ｃは、異なる多重型機構に従って形成される試料アレイの中に含むことができるモジュールの機能ブロック図を示す。図３Ａは、第１多重型機構の機能ブロック図を示す。図３Ａに示される機構において、試料ウエルの各作用電極は、他の試料ウエルの対応する作用電極に結合する。この配置は図２Ｂに関連して上記で論じられている。各対電極は、個別に制御される。さらに、各参照電極は、個別に制御される。

コネクターインターフェイス３１０は、接触パッドの配列であってよく、作用電極の多重交換装置３２２、対電極の多重交換装置３２４および参照電極の多重交換装置３２６に結合する。次に、多重交換装置は、電極アレイ３３０に結合する。電極アレイ３３０は、試料アレイの全電極セットの電極の集合全体を表す。

この実施形態では、作用電極の多重交換装置３２２、対電極の多重交換装置３２４および参照電極の多重交換装置３２６は、電極アレイ３３０において、コネクターインターフェイス３１０を各電極に接続する電気的接続部として形成することができる。コントローラーは、２０個の利用できる作用電極からいずれか１つの作用電極を選択することができる。コントローラーは、選択された作用電極に電位をかけることができる。他の試料ウエルの対応する作用電極もまた電位を受容することになる。コントローラーは、所望の試料ウエルの対電極および参照電極に電位をかけることによって、特定の試料ウエルの電極に電圧を印加することができる。

図３Ｂは、第２多重型機構の機能ブロック図を示す。第１多重型機構の場合と同じように、コネクターインターフェイス３１０は、作用、対および参照の多重交換装置３４２、３４４および３４６にそれぞれ接続する。次に、多重交換装置３４２、３４４および３４６は、電極アレイ３３０の電極に結合する。

第２多重型機構において、電極アレイ３３０からの各作用電極は、作用電極の多重交換装置３４２に個別に結合する。同様に、各対電極は、対電極の多重交換装置３４４に個別に結合し、各参照電極は、参照電極の多重交換装置３４６に個別に結合する。前記の多重型機構とは異なり、２個の電極が、第２多重型機構で共に接続されることはない。多重交換装置３４２、３４４、３４６は、基材２０に組み込まれるか、永久に接続されるのが好ましい。

各多重交換装置３４２，３４４および３４６は、論理解読器として作動する。例えば、少なくとも１１ビットの論理解読器は、１９２０個の作用電極に個別にアドレス指定することが必要とされる。１１ビットの解読器は、作用電極の数である１９２０を超える２０４８ライン（２^１１＝２０４８）に個別にアドレス指定することができる。同様に、少なくとも７ビットの解読器は、９６個の独立した対電極に個別にアドレス指定することが必要とされる。同様に、少なくとも７ビットの解読器は、９６個の独立した参照電極に個別にアドレス指定することが必要とされる。

よって、作用電極の多重交換装置３４２は、特定の作用電極にアドレス指定する１１ビットの論理解読器と、アドレス指定された作用電極に所望の電位を印加するように構成された支持電子部品とを含むことができる。同様に、対電極の多重交換装置３４４は、７ビットの論理解読器と、アドレス指定された対電極に所望の電位を印加するように構成された支持電子部品とを含むことができる。参照電極の多重交換装置３４６は、７ビット解読器と、アドレス指定された参照電極に所望の電位を印加するために形成される支持電子部品とを含むことができる。

従って、第２多重型機構を使用することにより、わずかに２５接続部が、コネクターインターフェイス３１０において必要とされる。しかし、多重交換装置、特に作用電極の多重交換装置３４２、の設計はより複雑であり、基材２０の費用は、有効的な電子部品の導入により幾分か増加する。

図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂに示される多重型機構の特徴を組合せる別の多重型機構の実施形態の機能ブロック図である。第３多重型機構において、電極アレイ３３０内の試料ウエルの特定の列からの各作用電極は、その列中の対応する作用電極に結合する。従って、８つの試料ウエルの１２列を持つ９６ウエルプレートにおいて、列中の各作用電極は８つの他の作用電極に結合する。次に、共有の作用電極は、作用電極の多重交換装置３５２に結合する。各対電極は、対電極の多重交換装置３５４に個別に結合し、各参照電極は、参照電極の多重交換装置３５６に個別に結合する。

図３Ｂの多重交換装置の実施形態におけるように、各多重交換装置３５２、３５４および３５６は、論理解読器として作動する。作用電極の多重交換装置３５２は、８ビット解読器を使用することができ、ここで、５ビットが２０個の可能性のある電極から作用電極を識別するために使用され、３ビットが可能性のある１２の列から特定の列を識別するために使用される。図３Ｂの実施形態におけるように、対電極多重の交換装置３５４は、７ビット論理解読器と、アドレス指定された対電極に所望の電位を印加するために形成される支持電子部品とを含むことができる。参照電極の多重交換装置３５６は、７ビット解読器と、アドレス指定された参照電極に所望の電位を印加するために形成される支持電子部品とを含むことができる。従って、合計２２個の接触パッドが、コネクターインターフェイス３１０において必要とされる。

システムにより使用される多重型機構にもかかわらず、試料アレイ上の接触パッドは、コネクターインターフェイスを経て分析計に結合する。図４は、多重型試料分析システムの実施形態の機能ブロック図である。図４の機能図は、電気化学的分析装置のコネクターインターフェイスに結合する試料アレイ１０を示す横断面である。

基材２０に結合させたウエルプレート１２を有する試料アレイ１０は、図１Ａの試料アレイ等のように、１つ以上の試料ウエルに配置された１つ以上の電極セット（例えば２１０ａ）を含むことができる。電極セット（例えば２１０ａ）は、ウエルプレート１２の反対の基材２０側で例えばコネクターインターフェイスに配置された接触パッド４０２に結合させることができる。

電極セット（例えば２１０ａ）は、多重型機構を使用して接触パッド４０２に結合することができる。コネクターインターフェイスにおける接触パッド４０２の数は、使用される多重型機構に依存して、電極の数よりも多いか、等しいか、または少なくてもよい。

１つの実施形態では、接触パッド４０２は、炭素電極である。別の実施形態では、接触パッド４０２は、金電極である。接触パッド４０２は基材上に作られていてもよく、または基材に結合させても、取り付けられてもよい。接触パッド４０２は、伝導性パッド、バネ、ソケット、プラグ等、または接続のための他の手段であってよい。

試料アレイ１０内の試料を分析する場合、試料アレイ１０は、接触パッド４０２を分析機器の対応する接続部４１０に結合するように、分析機器に配置される。接続部４１０は、試料アレイ１０上の接触パッド４０２に結合するバネ接続であるか、またはバネ負荷探触子であってよい。他の実施形態では、接続４１０は、伝導性パッド、バネ、ソケット、プラグ等または接続のための他の一部の相補的な手段であってよい。

接続部４１０は、次に分析計４３０に結合する多重交換装置４２０に結合する。多重交換装置４２０は、試料アレイ１０の電極（例えば２１０ａ）に電位を印加するために用いることができる。さらに、多重交換装置４２０は、分析のために、電極（例えば２１０ａ）からの信号を分析計４３０に接続するのに用いるができる。

１つの実施形態では、分析計４３０は、試料アレイ１０上の特定の作用電極と対電極の組に電位を印加するために、多重交換装置４２０を制御する。次に、分析計４３０は、例えば、電量分析法または電流滴定法を行って、試料ウエル中の試料が作用電極上の捕捉されたポリマー探触子とハイブリダイズするかどうかを決定する。

図５は、試料アレイ１０内に含まれる捕捉探触子に対する試料のハイブリダイゼーションを検出するために形成された試料分析システム５００の機能ブロック図である。試料アレイ１０は、例えば、図２Ｂに示される多重型機構を有する図１Ａの試料アレイ１０であってよい。試料アレイ１０は試料分析システム５００の受容プラットホーム５１０に置くことができる。受容プラットホーム５１０は、試料アレイ１０の底部で接触パッドに結合するバネ探触子を有するコネクターインターフェイスを含むことができる。バネ探触子は、そのような接続部に結合される長いライフサイクルのために有利であろう。バネ探触子は、例えば数百万のサイクルを越えるライフサイクルを有することができる。

バネ探触子は、試料アレイ１０に出入する信号を結合することができる。受容プラットホーム５１０のバネ探触子は、多重交換装置５３０に結合する。多重交換装置５３０は、試料アレイ１０で実行される多重型機構に従って、試料アレイ１０に出入する信号を解読するように形成することができる。

電位供給源５２０は、多重交換装置５３０に結合される。電位供給源は制御され、所望の作用電極、対電極および任意に参照電極に電位を印加することができる。

電気化学的分析計５４０は、多重交換装置５３０に結合し、電圧が印加された電極を有する試料ウエル中の試料のハイブリダイゼーションを電気化学的に検出するように形成することができる。メモリ５６０と通信するプロセッサー５５０は、ハイブリダイゼーションの検出プロセスの操作を制御するために、電位供給源５２０、多重交換装置５３０および電気化学的分析計５４０に結合される。

例えば、プロセッサー５５０は、電位供給源５２０、多重交換装置５３０および電気化学的分析計５４０の操作を制御するために、メモリ５６０に貯えられプロセッサーが解読可能な指示に従って作動することができる。プロセッサー５２０は、プロセッサーが読解可能な指示に応じ、特定の試料ウエルに対応する一対の特定の作用電極と対電極を選択するように、多重交換装置に対して指示することができる。次に、プロセッサー５５０は、選択された作用電極と試料電極に電位を印加するために、電位供給源を制御することができる。

次に、プロセッサー５４０は、電気化学的分析計５４０に対して、選択された試料ウエル上で検出を行うように指示することができる。電気化学的分析計は、例えば、捕捉されたポリマー探触子に対して、一部分電量分析法か電流滴定法に基づき、ハイブリダイゼーションを検出することができる。プロセッサー５５０は電気化学的分析計からの結果を読み取って、その結果を後のアクセスのためにメモリ５６０に保存することができる。次に、プロセッサーは、多重交換装置５３０に対して、同一または異なる試料ウエル中から別の対となる電極を選び、そしてすべての所望の試料ウエルおよび対となる探触子の試験が完了するまで分析を繰り返すように指示することができる。

更にプロセスを自動化するために、自動化された流体処理システムを、試料分析システム５００と一体化してよい。流体処理システムは、１つ以上のピペット５７４に液体を運ぶように形成されるロボット腕５７２に結合した流体調剤器５７０を含むことができる。プロセッサー５５０は、流体調剤器５７０およびロボット腕５７２を制御するように形成され、試料アレイ１０中の１つ以上の試料ウエルに試薬を調剤することができる。システム５００が現存の自動化流体処理システムを利用できるようにするために、試料アレイ１０を、９６ウエルプレート等の標準的なウエルプレートの大きさを有するように形成することは有利であろう。

図６は、多重型試料アレイの捕捉探触子に対するハイブリダイゼーションに関して試料を分析する方法のフローチャートである。試料アレイ、電極配置、多重型および電気化学的検出の上記議論は、方法６００のプロセスの手順が望ましい結果から逸脱せずに変更しうることを示す。さらに、方法に実質的に影響を与えずに、１つ以上の工程は、改良してもよいし、方法６００から除外、または方法６００に加えてもよい。

方法６００は、ブロック６０２において基材上に電極配置を作ることによって始まる。基材の製造のために、典型的なプリント回路板製造工程を使用することができる。このプロセスは、また基材上に多重型機構を完成するために必要な装置の配置と電気的接続を作ることも含みうる。電極配置を作った後、基材は工程６０４で底のないウエルプレートに結合される。この工程は、ウエルプレート、基材および結合の接着剤の取扱いを形成する自動化機械によって実施してよい。

基材がいったんウエルプレートに結合されると、組み立てられたウエルプレートは、試料ウエルの作用電極に探触子を固定するシステムに進められる。作用電極上に一本鎖探触子を捕捉するための自動化プロセスを使用してよい。もしくは、探触子は、基材をウエルに結合する前に、作用電極に取り付けることができる。試料アレイがいったん捕捉探触子を用いて調製されると、試料分析は、図５に示されたシステム等の試料分析システムを用いて進めることができる。

試料は、ブロック６２０で試料ウエルに導入され、捕捉された探触子に対しハイブリダイズしうる。図５で示されるように、試料分析システムは、試料アレイに試薬を導入する液体処理システムを含むことができる。捕捉された探触子に対する標的鎖のハイブリダイゼーションは、試料ウエルの一部で起こり得る。

試料のハイブリダイゼーション後、試料分析システムは、第１対電極および参照電極に電圧が印加されるブロック６３０に進む。電圧の印加とは、電極に電位を印加することをいう。上記のように、参照電極の包含は任意であり、一部の実施形態においては省略してよい。

第１参照および対電極に電位を印加した後、試料分析システムは、ブロック６３２に進み、電位を第１作用電極に印加する。試料分析システムは、試料アレイに完成された多重型機構を使用して作用電極に電位を印加することができる。

次に、試料分析システムはブロック６４０に進み、ここで、システムは、試料中の標的が作用電極上において捕捉された探触子とハイブリダイズしたかどうかを決定する。試料分析システムは、例えば、電気化学的検出法を用いてハイブリダイゼーションを決定することができる。

次に、試料分析システムは、決定ブロック６４２に進み、すべての試料ウエルが試験されたかどうかを決定する。図２Ｂに関連して論じられる多重型機構において、すべての対応する作用電極は、共通に接続される。従って、別の作用電極に電位を印加する前に、すべての試料ウエルの対応する電極に対するハイブリダイゼーションを最初に測定することが有利となりうる。

もし、すべての試料ウエルが試験し終わっていない場合、試料分析システムは、決定ブロック６４２からブロック６４４に進み、ここで、電位はそのときの対電極と参照電極から除かれ、次の対電極と参照電極に電位が印加される。次に、試料分析システムは、ブロック６４０へ戻って進められる。

決定ブロック６４２に戻り、すべての試料ウエルが試験し終わった場合、試料分析システムは、決定ブロック６５０に進み、すべての作用電極が試験し終わったかどうかを決定する。そうでない場合、試料分析システムは、ブロック６３０へ戻って進められ、ここで最初の対電極と参照電極に電圧が印加され、次にブロック６３２に進み、ここで次の作用電極に電圧が印加される。

もし決定ブロック６５０ですべての電極が試験し終わると、試料分析システムは、すべての試料ウエル内ですべての電極の組合せを試験し終わる。試料分析システムは、ブロック６６０に進み、試料アレイを試験し終える。

このように、安価で汎用性のある配列分析は、複数の試料ウエルに配置された電極セットを有する試料アレイを用いて行うことができる。電極セットは、捕捉されたポリマー探触子を有する炭素電極を含むことができる。試料アレイは、多重型機構を完成して、関連する分析計に対して作製される必要がある接続部の数を減らすことができる。分析計は、電極に電位を選択的に印加し、電気化学的技術を用いて探触子のハイブリダイゼーションを電気化学的に検出することができる。

図６に表される方法の工程は、比較的汎用性があり、その方法は、既述のすべての工程を必ずしも含まなくてもよいことに注意されたい。例えば、ある実施形態においては、ウエルプレートを製造し調製する工程（例えば、ブロック６０２およびおそらく６０４および／または６１０および６２０）は、最初の工程群によってなされ、本発明の第１方法を構成してよい。次に、残りの工程（ブロック６２０か６３０〜ブロック６６０）は別の工程群によって本発明の第２方法として実施してよい。

例えば、ブロック６３２で、参照電極と対電極に電圧を印加する行為は、試料ウエル中のすべての作用電極と該ウエル中の対応する１つ以上の対電極に電圧を印加することをいうものであってよい。次に、ブロック６４０では、ハイブリダイゼーションの決定の行為は、標的が各作用電極の捕捉された探触子に対してハイブリダイズしたかどうかの決定をいう。例えば、電気化学的な検出技術は、各作用電極により個々に、または多数の電極により同時に実施してよい。

次に、方法６００は、上記のようにブロック６４２とブロック６４４へ進む。しかし、試料ウエル内のすべての作用電極は同時に電圧を印加して試験することができるので、決定ブロック６５０は方法６００から省くことができよう。

方法６００のさらに他の実施形態において、ブロック６３２の作用電極に電圧を印加する行為は、試料ウエル内のすべての作用電極よりも少ない数の作用電極に電位を印加することであってよい。次に、決定ブロック６５０がさらに含まれ、そして作用電極に電圧を印加する引き続く行為は、それ以前に電圧を印加しなかった１つ以上の作用電極に電圧を印加することであってよい。

図２Ｂの多重型技術が改良方法６００と組合わされる場合には、電極に電圧を印加する回数は、最小にすることができる。選択された試料ウエル内のすべての作用電極に電位をかけることは、また他のすべての試料ウエルの作用電極に対して電位を印加するという結果をもたらす。次に、試料分析システムは、多様な対電極に印加された電位を逐次的に制御することだけを必要とする。

１つの実施形態では、すべての電極と電気的接続部を有する基材２０およびウエルプレート１２は、別物として製造され、任意に、両者を一緒に固定する手段（例えば、接着層１４。これは、別のシートであってもよく、または好ましくは保護剥離シート（図示せず）を有するウエルプレート１２または基材２０に前もって付設してもよい）とともにキットとして販売される。これにより、エンドユーザーは、作用電極に対して所望の探触子をさらに便利に付着することができる。これらの電極は、ウエルプレート１２の付着前に容易に接近可能なためである。従って、本発明の方法は、探触子を基材２０に付け、次に基材２０をウエルプレート１２に組み立て、さらにその後の任意な分析工程（例えば、試料をウエルへ加えることにより電極を試料に接触させること、次に電極にアドレス指定すること、および１つ以上のウエル中の所望の分析物の存在または不存在を確認するために測定すること）を含むことができる。

電気的接続部、結合部および接続部は、多様な装置や要素に関して説明されてきた。接続部および結合部は、直接的または間接的であってよい。第１および第２装置間の接続部は、直接的な接続であってもよいし、間接的な接続であってもよい。間接的な接続は、第１装置から第２装置への信号を処理する、挟まれた要素を含んでもよい。

当業者は、情報および信号が、多様な異なる技術や技法のいくつかを使用していることを表わしていることを理解するだろう。例えば、上記で参照されるデータ、指示、命令、情報、信号、ビット、記号およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または粒子、光学場または粒子、またはそれらの組合せによって表わしてよい。

さらに、当業者は、ここで開示される実施形態に関連して説明された多様な例示的論理ブロック、モジュール、回路およびアルゴリズムの工程が、電子ハードウエア、コンピューターソフトウエアまたは両者の組合せとして実行されることを理解するだろう。こうしたハードウエアとソフトウエアの互換性をはっきりと説明するために、上記において、多様な例示的成分、ブロック、モジュール、回路および工程が、それらの機能性に関して一般的に述べられてきた。そのような機能性がハードウエアとして実行されるのか、ソフトウエアとして実行されるのかは、全体のシステムに課される特定の適用条件や設計的制約に依存する。当業者は、既述の機能性を、それぞれの特定の適用条件に関して多様な方法で実行するだろうが、そのような実行の決定は、発明の範囲からの逸脱をもたらすものとして解釈されるべきでない。

ここで開示された実施形態に関連して説明された多様な例示的論理ブロック、モジュールおよび回路は、既述の機能を実施するように設計された汎用プロセッサー、ディジタルシグナルプロセッサー（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラム可能な論理回路、単機能ゲートまたはトランジスター論理、単機能ハードウエア成分、またはそれらの組合せにより実行または実施してよい。汎用プロセッサーはマイクロプロセッサーであってよいが、さもなければ、プロセッサーはどのようなプロセッサー、コントローラー、マイクロコントローラーまたはステートマシンであってもよい。プロセッサーは計算装置の組合せ（例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサーとの組合せ、複数のマイクロプロセッサー、ＤＳＰコアに関連させた１つ以上のマイクロプロセッサー、または他のそのような機器構成）として実行してよい。

ここに開示された実施形態に関連して説明された方法またはアルゴリズムの工程は、ハードウエアで、またはプロセッサーが実行するソフトウエアモジュールで、またはその両者の組合せで直接に具体化してよい。ソフトウエアモジュールは、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、レジスター、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたは公知の他形態の記憶媒体に存在してよい。記憶媒体は、プロセッサーが記憶媒体の情報を読み書きできるようにプロセッサーに結合することができる。もしくは、記憶媒体は、プロセッサーに不可欠であり得る。プロセッサーおよび記憶媒体は、ＡＳＩＣに存在してよい。

開示された実施形態の上記説明は、当業者が本発明を実施し、または使用することを可能にするように提供されている。これらの実施形態への多様な改良は、当業者には容易に明白であり、ここに定義される一般的な原理は、発明の精神または範囲から離れることなく、他の実施形態に適用してよい。従って、本発明は、ここに示されている実施形態に限定されることを意図するものではなく、ここに開示された原理と新規な特長に調和する最も広い範囲に一致されるべきである。

試料ウエルアレイの図である。 試料ウエルアレイの図である。 電極配置の機能図である。 電極配置の機能図である。 電極配置の機能図である。 電極配置の機能図である。 別の電極多重型配置の機能ブロック図である。 別の電極多重型配置の機能ブロック図である。 別の電極多重型配置の機能ブロック図である。 試料ウエルアレイの一部に対する分析計のインターフェイスの横断面図である。 多重型試料検出システムの機能ブロック図である。 多重型試料検出法のフローチャートである。

Claims (20)

1. 試料アレイの接触パッドと電気的に接続するように形成されたコネクターインターフェイスと；
   コネクターインターフェイスに結合され、またコネクターインターフェイスの接続部に電位をかけることにより試料アレイの作用電極に選択的に電位をかけるように形成された多重交換装置と；および
   一部分電位に基づいた試料アレイ中の試料の特性を電気化学的に検出するように形成された分析計と；
   からなる電気化学的検出システム。
2. 前記多重交換装置が、さらに、前記試料アレイ中の対電極に前記コネクターインターフェイスを介して反対の電位を選択的にかけるように形成される請求項１記載のシステム。
3. 前記コネクターインターフェイスの第１接続部が、前記試料アレイ中の複数の作用電極に電気的に結合する請求項１記載のシステム。
4. 前記コネクターインターフェイスの第２接続部が、前記試料アレイ中の単一の対電極に電気的に結合する請求項３記載のシステム。
5. 前記分析計が、前記試料のハイブリダイゼーションを検出するように形成される請求項１記載のシステム。
6. 前記分析計が、電量分析法に基づいて特性を検出するように形成される請求項１記載のシステム。
7. 前記分析計が、電流滴定法に基づいて特性を検出するように形成される請求項１記載のシステム。
8. さらに、試薬を前記試料アレイの少なくとも１つのウエルに供給するために形成される流体調剤器を含む請求項１記載のシステム。
9. 選択的に、第１電位を作用電極にかけ、第２電位を対電極にかけるように形成された多重交換装置；および
   該多重交換装置に結合し、一部分第１電位と第２電位に基づいた探触子ハイブリダイゼーションを電気化学的に検出するように形成された分析計
   からなる電気化学的検出システム。
10. 電気化学的検出システム用試料アレイであって、
    第１試料ウエル；
    第２試料ウエル；
    該第１および第２試料ウエルに結合させた基材；
    該第１試料ウエルの基材に置かれた複数の作用電極からなる第１電極セット；および
    該第２試料ウエルに置かれた複数の作用電極からなる第２電極セットであり、該第２電極セットは、第２試料ウエルに置かれた複数の該作用電極の少なくとも１つが第１試料ウエルの対応する作用電極に結合している第２電極セット
    からなる試料アレイ。
11. 前記第１電極セットの作用電極に結合した複数のポリマー探触子をさらに含む請求項１０記載の試料アレイ。
12. 電気化学的検出システム用試料アレイであって、
    複数の試料ウエル；
    該複数の試料ウエルに結合させた基材；
    該複数の試料ウエルのそれぞれに置かれた少なくとも２つの作用電極を有する、基材の第１側面におかれた複数の作用電極；および
    該基材上に置かれ、該複数の作用電極に対して多重型とされる複数の接触パッド
    からなる試料アレイ。
13. 前記複数の試料ウエルのそれぞれに置かれた少なくとも１つの対電極を有する、基材の第１側面におかれた複数の対電極をさらに含む、請求項１２記載の試料アレイ。
14. ハイブリダイゼーションを検出する方法であって、
    各試料ウエルが、複数の作用電極と１つの対電極に結合する複数の探触子からなる複数の試料ウエルに１つの試料を導入し；
    第１電位を、少なくとも２つの作用電極に対して多重型とされた第１接触パッドにかけ；
    第２電位を、少なくとも１つの対電極に結合した第２接触パッドにかけ；そして
    該複数の探触子の少なくとも１つに対する試料のハイブリダイゼーションを電気化学的に検出すること
    からなる方法。
15. 複数の開口底のウエルからなる上部プレート；
    基材上のゾーンが上部プレートのウエルの下部開口を閉じるように該開口と合致させ得るように、該上部プレートのウエルに合致するように適応させたゾーンを有する基材；および
    該ゾーンの基材上の作用電極であり、該電極に付着したポリマー探触子を有するように適応させた複数の作用電極
    からなる測定を実施するためのキット。
16. さらに、前記上部プレートに前記基材を取り付けるためのファスナーを含む請求項１５記載のキット。
17. 前記ファスナーが接着剤である請求項１５記載のキット。
18. 前記ファスナーが前記基材および前記上部プレートを一緒に圧縮するための圧縮機構である請求項１５記載のキット。
19. さらに、前記ゾーンが少なくとも１つの対電極を有する請求項１５記載のキット。
20. ポリマー探触子を、基材の表面上のゾーンに置かれた電極に付着させ；次いで
    該基材を、開口底ウエルを有する上部プレートに付着させて、該上部プレートが該ウエルの側面を定め、該基材が該ウエルの底を定め、該電極が該ウエルに加えられた液体に接近可能なように該電極を含むゾーンが配置されるマルチウエルプレートを形成すること
    からなる測定装置を組み立てるための方法。

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